Andrew Lees

Osiadanie gruntu – rodzaje i mechanizmy

Do osiadania podłoża dochodzi pod wpływem zmian stanu naprężenia w ośrodku gruntowym – na przykład, gdy na powierzchni zostanie przyłożone nadmierne obciążenie lub gdy część gruntu zostanie wydobyta podczas wykonywania tunelu. Zjawisko osiadania może okazać się katastrofalne w skutkach i prowadzić do zawalenia się budowli posadowionych na gruncie.

Niniejszy przewodnik opisuje osiadanie w ujęciu geotechnicznym – od ogólnego opisu zjawiska, poprzez czynniki wpływające na osiadanie, po trzy główne składowe całkowitego osiadania w czasie. Rozpatrzymy także różne rodzaje osiadania (w tym nierównomierne osiadanie) i ich wpływ na konstrukcje. Na koniec przyjrzymy się również mechanizmom działania georusztów w kontekście ograniczenia osiadania gruntu.

Korzystając z poniższych linków, mogą Państwo od razu przejść do wybranego rozdziału:

Czym jest osiadanie gruntów?

W geotechnice osiadanie definiowane jest jako pionowe przemieszczenie podłoża w dół pod wpływem zmiany naprężeń w ośrodku gruntowym (często pod wpływem przyłożenia obciążenia na powierzchni). Nadmierne przemieszczenia gruntu mogą skutkować uszkodzeniami konstrukcji i elementów infrastruktury transportowej – w tym mostów, tuneli oraz nawierzchni drogowych i kolejowych.

Jakie są przyczyny osiadania?

Osiadanie gruntu jest zazwyczaj skutkiem obciążenia (na przykład od budynku lub od pojazdów poruszających się po drodze) przekraczającego nośność podłoża. Pod wpływem dodatkowego obciążenia ciśnienie wody w porach gruntu wzrasta, a następnie ulega stopniowemu rozproszeniu, powodując konsolidację – ziarna gruntu pod konstrukcją przemieszczają się w poziomie i w pionie. Grunty słabonośne i słabo zagęszczone są szczególnie podatne na konsolidację.

Osiadanie może być również związane z innymi czynnikami, w tym ze zmianami wilgotności gruntu – na przykład grunty spoiste mogą stać się miękkoplastyczne pod wpływem wzrostu stopnia nasycenia lub doznać skurczu przy jego spadku. Głębokie wykopy, tunelowanie oraz zawały naturalnych podziemnych pustek i nieczynnych wyrobisk również należą do istotnych czynników przyczyniających się do osiadaniapodłoża.  

Osiadania mogą nastąpić niemal natychmiastowo po przyłożeniu obciążenia, ale mogą też postępować latami, zależnie od warunków gruntowych oraz przyczyn odkształcenia. Geotechnicy często przeprowadzają analizę przewidywanych osiadań na podstawie warunków gruntowych panujących przed rozpoczęciem budowy i rekomendują rozwiązania pozwalające na uniknięcie nadmiernych osiadań w przyszłości.

interax-1-580-580-(2).jpg
Wbudowanie warstwy kruszywa stabilizowanego mechanicznie georusztem Tensar, która zapobiega wystąpieniu nierównomiernych osiadań podłoża

Trzy składowe osiadania podłoża

Cały proces osiadania gruntu podzielić można na trzy główne składowe, występujące na różnych etapach:

 

Wymienione trzy składowe opisane są poniżej.

Natychmiastowe osiadanie

Jak wskazuje nazwa, osiadanie natychmiastowe następuje momentalnie w chwili przyłożenia obciążenia do podłoża. Po przyłożeniu obci,ążenia następuje miana stanu naprężeń, która prowadzi do przemieszczenia ziaren i zmniejszenia objętości porów w gruncie.

Konsolidacja (pierwotna faza osiadania)

Osiadania wynikają ze stopniowej redukcji nadmiernego ciśnienia porowego poprzez odpływ wody poza strefę obciążoną. Zmniejszeniu zawartości wody towarzyszy zmniejszenie objętości porów w gruncie i przyrost naprężeń efektywnych w szkielecie gruntowym.

Pełzanie (wtórna faza osiadania)

Faza ta rozpoczyna się po zakończeniu konsolidacji. Jest ona długotrwała ze względu na utrzymujący się stały poziom naprężeń od przyłożonego obciążenia. Odkształcenie podłoża uzależnione jest od rodzaju gruntu, jego anizotropii, jak również historycznych stanów naprężeń i osiągniętego bieżącego poziomu naprężeń efektywnych.

Rodzaje osiadania

W geotechnice wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje osiadania:

    • Osiadanie równomierne
    • Osiadanie nierównomierne – przechylanie
    • Osiadanie nierównomierne ze zmianą wzajemnego położenia elementów fundamentu (z powstaniem krzywizny)

Te trzy rodzaje osiadania zostaną omówione poniżej wraz z ich wpływem na pracę i stan konstrukcji posadowionej na podłożu.

Osiadanie równomierne

W przypadku równomiernego osiadania podłoże pod konstrukcją (również drogą czy linią kolejową) doznaje identycznego przemieszczenia na całej długości konstrukcji. Nie dochodzi do żadnych uszkodzeń, jest to więc najmniej niepokojący rodzaj osiadania. Można powiedzieć, że osiadania równomierne zaledwie „obniżają” konstrukcję.

Osiadanie nierównomierne


Do nierównomiernego osiadania dochodzi, gdy część fundamentu lub podłoże, na którym wykonana jest konstrukcja, doznaje znaczniejszego lub szybszego przemieszczenia. Jeśli jedna krawędź konstrukcji obniża się mocniej niż przeciwległa, konstrukcja przechyli się, tak jak Krzywa Wieża w Pizie. Takie spowodowane niejednorodnością podłoża zjawisko może doprowadzić do spękań konstrukcji, a nawet do jej zawalenia.

Niemniej jednak, nierównomierne osiadania nie zawsze powodują wzrost naprężeń w konstrukcji, a więc nie muszą prowadzić do zniszczenia. Przechylenie się konstrukcji wywołane nierównomiernym osiadaniem może natomiast szybko stać się nieakceptowalne z użytkowego punktu widzenia (np. w budynkach, w których znajdują się czułe urządzenia). Często uznaje się, że poziom nierównomiernego osiadania stanowi miarę skuteczności zastosowanych rozwiązań geotechnicznych, odzwierciedla bowiem jakość i stabilność posadowienia.  

Jakie są przyczyny nierównomiernego osiadania?

Na nierównomierne osiadanie może mieć wpływ wiele różnych czynników, w tym:

  • Rodzaj gruntu: Najczęstszą przyczyną nierównomiernego osiadania jest niejednorodność podłoża gruntowego. Na przykład osiadanie na piasku może być większe niż na glinie.

  • Wilgotność gruntu: Grunt o zbyt niskiej lub zbyt wysokiej wilgotności może osiadać bardziej niż grunt o umiarkowanej wilgotności.

  • Obciążenie gruntu: Fundament, który jest zbyt ciężki lub nadmiernie obciążony, dozna większych osiadań, niż lżejszy fundament.

  • Rozmiar i głębokość posadowienia: Rozmiar i głębokość posadowienia fundamentu również wpływają na nierównomierne osiadanie. Na przykład płytki fundament osiądzie bardziej niż głęboki, a duży fundament osiądzie bardziej niż mniejszy.

  • Kształt fundamentu: Fundament źle wypoziomowany lub o nieregularnym kształcie osiądzie mocniej, niż dobrze wypoziomowany fundament o regularnym kształcie.


Nierównomierne osiadanie ze zmianą wzajemnego położenia punktów fundamentu (powstanie krzywizny)

Gdy konstrukcja jedynie się przechyla, linia łącząca poszczególne punkty na fundamencie nadal jest linią prostą. Jeśli jednak po połączeniu różnych punktów fundamentu uzyskalibyśmy krzywą, oznaczałoby to, że przemieszczają się one nierównomiernie względem siebie.

Takie „krzywoliniowe” osiadanie może spowodować odkształcenia konstrukcji, generując odkształcenia  rozciągające, które przekroczą wytrzymałość materiałów budowlanych (np. elementów murowanych), czy warstw nawierzchni. Ostatecznie takie osiadania prowadzą do spękań i uszkodzeń (w przypadku nawierzchni kolejowych – do zniekształcenia geometrii toru, która może doprowadzić nawet do wyłączenia linii z ruchu kolejowego).

Krzywiznę osiadania można wyrazić poprzez współczynnik ugięcia, tj. stosunek maksymalnego przemieszczenia pionowego do długości r posadowienia konstrukcji, na której przemieszczenie jest mierzone. Krzywizna ta należy do najważniejszych składowych w ocenie posadowienia konstrukcji.

Ground Coffee – odcinek 2 (osiadania). Andrew Lees omawia rodzaje osiadania, które faktycznie powodują uszkodzenia budynków i nawierzchni.

Metody zapobiegania osiadaniu podłoża

Odpowiednie badania terenowe i laboratoryjne badania gruntowe

Kompleksowe rozpoznanie warunków gruntowych, składające się z badań terenowych oraz badań laboratoryjnych pobranych próbek gruntu, pozwala na zidentyfikowanie właściwości gruntu, warunków hydrologicznych oraz nośności podłoża. Dzięki badaniom laboratoryjnym i terenowym określić można takie parametry gruntu jak ściśliwość, wodoprzepuszczalność i wytrzymałość na ścinanie. 

Badania są istotne również na dalszych etapach inwestycji; nie tylko w fazie przygotowawczej i projektowej. Monitorowanie osiadań oraz regularne oględziny fundamentów i sąsiadującego z nimi podłoża gruntowego, pozwalają na szybkie wykrycie ewentualnych przemieszczeń i reagowanie przed pojawieniem się poważnych problemów. 

Dobór i projektowanie posadowienia

Fundamenty głębokie, takie jak pale, mogą przenosić obciążenia na niżej położone nośne grunty lub warstwy skalne, skutecznie ograniczając ryzyko osiadań. Są one szeroko stosowane w posadowieniach podpór mostowych czy projektowaniu platform roboczych, zapewniając stateczność konstrukcji oraz nośne platformy robocze dla pracy ciężkiego sprzętu.

Techniki zbrojenia i wzmacniania gruntu

Systemy ścian oporowych, zaliczające się do popularnych metod wzmacniania i stabilizacji skarp, zapobiegają przemieszczeniom gruntu, mogącym prowadzić do osiadań. W porównaniu do tradycyjnych metod, ściany oporowe zajmują mniej miejsca w planie  i maksymalizują powierzchnię dostępną do zagospodarowania. Przyczyniają się przez to do powstawania rozwiązań bardziej atrakcyjnych finansowo dla projektantów, wykonawców i inwestorów. 

Georuszty i geotekstylia stanowią kolejne korzystne rozwiązanie pozwalające na zredukowanie ryzyka osiadań pod przyłożonymi obciążeniami. Dzięki swoim właściwościom fizycznym georuszty poprawiają nośność podłoża i zapewniają bardziej równomierny rozkład naprężeń. Geokompozyty – takie jak TriAx TX-G – łączą zalety georusztu stabilizującego oraz wodoprzepuszczalnej geowłókniny, która zapewnia separację i filtrację.

W jaki sposób georuszty mogą ograniczyć osiadanie podłoża?

Georuszty często stosuje się w warstwach kruszywa celem ograniczenia osiadań (równomiernych i nierównomiernych) na podłożu słabonośnym, choć zasadniczo rozwiązanie to jest korzystne w każdych warunkach gruntowych. 

Warstwa kruszywa stabilizowanego georusztem Tensar zachowuje się jak materiał kompozytowy, dzięki mechanizmowi zazębienia i skrępowania bocznego ziaren kruszywa w oczkach georusztu. Poprzez ograniczenie poziomych i pionowych przemieszczeń ziaren kruszywa georuszty Tensar zapewniają stabilizację warstwy (MSL) i opóźniają osiadania.

tensar-interax-580-580-(1).jpg
Zazębienie georusztu Tensar InterAx z kruszywem 

Ograniczenie osiadań dzięki sprawdzonym rozwiązaniom Tensar

Tensar to światowy lider w dziedzinie rozwiązań stabilizacji podłoża oraz konstrukcji z gruntu zbrojonego. Przez niemal 50 lat dostarczyliśmy klientom innowacyjnych rozwiązań najwyższej jakości w tysiącach inwestycji i projektów infrastrukturalnych na całym świecie. Nasze oparte na najnowszych technologiach alternatywne rozwiązania okazały się szybsze w realizacji, skuteczniejsze i oszczędniejsze od wariantów tradycyjnych. Firma Tensar produkuje najbardziej zaawansowane technicznie georuszty na rynku, wspierając geotechników w ograniczaniu osiadań podłoża. Aby dowiedzieć się więcej, mogą Państwo odwiedzić naszą stronę poświęconą georusztom albo zapoznać się z zastosowaniami oraz poniższymi przykładami realizacji, które obrazują użycie naszych rozwiązań w praktyce. 


Dalsze kroki

W niniejszym przewodniku omówiliśmy geotechniczne aspekty osiadania podłoża. Przeanalizowaliśmy definicję osiadania,  przyczyny jego powstawania, trzy główne składowe, różne rodzaje osiadania oraz możliwości zastosowania georusztów do zredukowania jego wpływu na konstrukcje.

Jeśli ten wpis był dla Państwa interesujący, polecamy również poniższe wpisy:

Masz zaplanowany projekt i potrzebujesz wsparcia ekspertów? Nasz zespół projektowy służy pomocą.

Prześlij projekt
Cta Image